科學家探尋氫“森林”，或揭開暗物質面紗

科學家們將一個強大的模擬器與有關宇宙的數據相結合，以解釋我們理解中的一個巨大差異。名爲 PRIYA 的模擬套件於去年首次亮相，正在幫助科學家研究深外層空間中氫原子的一種特殊現象。現在，在一項新的研究中，PRIYA 使加利福尼亞大學河濱分校的科學家能夠根據圍繞引力源形成的氫“森林”的光特徵繪製暗物質的可能位置。他們的研究成果現已發表在《宇宙學和天體粒子物理學雜誌》中。

高科技模擬軟件幫助天體物理學家和天文學家更仔細地研究遙遠的現象，並使我們能夠確認或微調我們關於宇宙的理論。這樣的模擬本質上是單個粒子和作用於它們的力的巨大交互式圖表。處理如此多的數據需要一臺能夠長時間處理的超級計算機。使用超級計算機將處理時間從在功能較弱的計算機上的數年甚至數十年縮短。

在加州大學河濱分校的一份聲明中，資深作者西蒙·伯德描述了這種效應，稱其在這項研究中爲“皮影戲，我們根據其輪廓來猜測處於光與屏幕之間的角色。”通常，科學家們消除我們確實理解的陰影，以便推斷出我們尚未觀察到的東西，比如暗物質，正在填補其餘部分。

在尋找暗物質的過程中，氫很特別，因爲它極爲豐富，是最輕的元素，並且與宇宙本身一樣古老——是大爆炸的產物。當氫原子中的單個電子從一個能級躍遷到另一個能級，即被激發然後回到基態時，它會以光子的形式釋放出微小的能量標識。

宇宙中充滿了大量來自氫原子的光子，我們日益精密的儀器可以探測到這些光子。這與化學家用於分析樣品純度或成分的光譜學是相同的。19 世紀後期的科學家們發現，他們可以通過研究分光鏡中產生的線條的模式來看到這些氫的特徵。有五個人確定了以下五種類型：巴爾默、萊曼、普豐德、布喇開和帕邢。

除了萊曼系之外，所有的都在紅外線光的範圍內，而萊曼系在紫外線範圍內。對於萊曼系，光譜線是根據產生它們所釋放的能量多少來命名的。從第二能級回到第一能級的最短能級間隔被稱爲萊曼-α。在遙遠的外太空，研究人員把這種特徵聚集而成的形狀稱爲“森林”。加州大學河濱分校新的 PRIYA 模擬突出了這個系列，其建立在同一研究人員西蒙·伯德此前名爲 ASTRID 的模擬的基礎之上。

萊曼-α森林被認爲給我們展示了暗物質更集中的地方，因爲氫是被暗物質所發出的引力吸引到這些形狀裡的。雖然暗物質尚未被直接觀察或探測到，但科學家們可以繼續使用像 PRIYA 這樣的模擬來發展他們的假設。

在這篇論文中，伯德和他的同事——M.A. 費爾南德斯和何明峰——提高了針對理論天體物理學中一個具體問題的解決精度。他們想要幫忙闡釋模型所預測的我們宇宙應有的模樣與現實之間存在的差距。某些星系的發展受到了阻礙，這可能是超大質量黑洞，也可能是我們尚未觀測到的全新粒子。

“這還不能完全令人信服，但倘若這在後續的數據集中得以成立，那麼更有可能是一個新粒子或者某種新型的物理學現象，而非黑洞干擾了我們的計算，”伯德在聲明中總結道。